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日 스미토모 전공, 세계 최초의 순 녹색 반도체 레이저 발진에 성공 ETC. Resource

일본, 세계 최초의 순 녹색 반도체 레이저 발진에 성공

 

- 독자 개발한 질화갈륨 결정으로 실현 -

스미토모(Sumitomo) 전기공업 주식회사(이하, 스미토모)는 반도체로부터 직접 발진할 수 있는 발진 파장 531 nm의 순녹색 반도체 레이저 개발에 성공하였다.

 

<참고자료> 레이저 발진의 모습(오른쪽 아래 상자에 레이저가 탑재)


레이저 광원을 이용한 레이저 TV나 휴대형 레이저 프로젝터 등의 레이저 디스플레이는 고휘도·고정밀에 이어 기존에 없는 소형·경량·저소비 전력이라는 특징이 있어 제품화를 목표로 한 개발이 활성화되고 있다. 현재 빛의 삼원색(적·록·청) 광원으로서는 빨강과 파랑은 반도체 레이저로 실현되고 있지만 초록은 적외 레이저광을 특수한 광학 결정으로 파장을 변환함으로써 얻을 수 있기 때문에 고 녹색광을 직접 발진시키는 반도체 레이저는 실현되고 있지 않았다(주 1).

녹색 영역에서는 청색 발광 다이오드에 사용되고 있는 질화 갈륨계 반도체가 검토되고 있지만 청색에서 녹색으로 파장을 길게 함으로써 발광 효율이 크게 저하된다는 문제점이 있었다(주 2).

스미토모는 이러한 문제점을 극복할 수 있는 질화갈륨 결정을 새롭게 개발하여 이것을 이용해 반도체 레이저에서는 순녹색 영역에서 세계 최초가 되는 파장 531 nm 레이저 발진(실온, 펄스)에 성공하였다고 한다.


이번 스미토모가 개발한 녹색 반도체 레이저의 특징은 청색으로부터 녹색으로 장파장화하면 발광층이 되는 결정에 큰 내부 전계가 발생함과 동시에 결정 품질이 저하함으로써 발광 효율이 저하된다고 하는 본질적인 문제(주 3)가 있어 각 기관에 의해 레이저를 제작하기 위한 결정면 방위를 바꾸어 발광층에 발생하는 내부 전계의 영향을 약하게 하는 것으로 발광 효율 향상을 목표로 한 개발이 진행되고 있다.

이것에 대해서 스미토모에서는 내부 전계를 약하게 하는 것뿐만 아니라 발광층 품질을 크게 향상할 수 있는 결정을 개발하여 녹색 영역에서도 고효율로 발광할 수 있는 반도체 레이저 개발에 성공하였다.

그리고 기존 파장 변환형 레이저에서는 발진 가능한 파장이 고정되는 것에 대해 발광층을 제어함으로써 녹색 전 파장 영역을 거의 커버할 수 있는 개발에 성공하였다. 이것에 의해 녹색 반도체 레이저에서는 최적 파장을 선택할 수 있다. 또한 전류를 증가시켜도 발진 파장 변화는 거의 없기 때문에 고전류 하에서 고출력을 목표로 하는 용도에 유효한 기술이라고 한다. 그리고 파장은 환경 온도에 의한 변동이 적은 특징을 가지고 있다.

녹색 반도체 레이저의 실현에 의해, 빛의 삼원색(적·록·청) 레이저 광원이 구비되어 지금까지 없는 새로운 응용 제품에서의 전개가 기대된다고 한다. 스미토모는 향후에도 독자적인 질화물계 반도체 기술을 활용한 사업 전개를 도모할 것이라고 한다.

(주 1) 녹색 레이저

녹색 영역에서 동작하는 레이저로 지금까지, 적색이나 청색 레이저와 같이 반도체로부터 직접 발진할 수 있는 녹색 레이저는 존재하지 않았다. 현재 레이저 포인터 등에서 사용되고 있는 녹색 레이저는 발진 파장 1,064 nm 전의 적외 레이저광을 파장 변환 결정에 의해 파장을 1/2로 변환하여 파장 532 nm의 녹색광을 발생시키고 있어 효율을 올리기 힘들고 부품 점수가 많기 때문에 비용 저감에 문제가 있다고 생각되고 있다.

(주 2) 녹색 영역에서의 발광 효율 저하

LED에서는 광의 삼원색인 적·록·청이 이미 실용화되고 있지만 녹색 영역에서는 질화갈륨계, 갈륨비소계에서도 발광 효율이 크게 저하된다. 그러나 녹색 영역은 액정 백라이트, 휴대 기기용 광원, 플라스틱 파이버 통신용 광원 등에서의 응용이 기대되기 때문에 고효율·고휘도 광원 개발이 요구되고 있다.

(주 3) 전계에 의한 발광 효율 저하

질화갈륨계 재료로 녹색 영역의 발광 효율이 저하하는 주된 원인은 결정 구조의 왜곡에 의해 발생하는 압전분극에 의해서 발생하는 전계(피에조 전계)이다. 지금까지 질화 갈륨계 재료는 피에조 전계가 최대가 되는 결정 방향으로 성장되고 있어 청색 영역에서는 결정 왜곡에 의한 피에조 전계의 영향은 효율에 그다지 영향을 주지 않았지만 보다 왜곡이 커지는 녹색 영역에서는 크게 영향을 주어 발광 효율이 저하된다.

 




世界初の純緑色半導体レーザの発振に成功

~ 独自開発の窒化ガリウム結晶で実現 ~

住友電気工業株式会社(社長 松本 正義)は、半導体から直接発振できる発振波長531nmの純緑色半導体レーザの開発に成功しました。

レーザ光源を用いたレーザTVや携帯型レーザプロジェクタなどのレーザディスプレイは、高輝度・高精細に加え、従来にない小型・軽量・低消費電力といった特長があり、製品化を目指した開発が活発化しています。現在、光の三原色(赤・緑・青)光源としては、赤と青は半導体レーザで実現されていますが、緑は赤外レーザ光を特殊な光学結晶で波長を変換することで得られており、緑色光を直接発振させる半導体レーザは実現できていませんでした(*1)。 緑色領域では青色発光ダイオードに使用されている窒化ガリウム系半導体が検討されますが、青色から緑色へ波長を長くすることで発光効率が大きく低下するという問題がありました(*2)。

当社は、この問題を克服できる窒化ガリウム結晶を新たに開発し、これを用いて半導体レーザでは純緑色領域で世界初となる波長531nmでのレーザ発振(室温、パルス)に成功しました。

今回、当社が開発した緑色半導体レーザの特長は以下の通りです。


1.
緑色領域で高品質な結晶

青色から緑色へ長波長化すると、発光層となる結晶に大きな内部電界が発生するとともに結晶品質が低下することで、発光効率が低下するという本質的な問題(*3)があり、各機関により、レーザを作製するための結晶面方位を変え、発光層に発生する内部電界の影響を弱めることで、発光効率向上を目指した開発が進めてられています。

これに対して当社では、内部電界を弱めるだけではなく、発光層品質を大きく向上できる結晶を開発し、緑色領域でも高効率で発光できる半導体レーザの開発に成功しました。


2.
緑色領域で任意波長の選択が可能

          従来の波長変換型レーザでは発振可能な波長が固定されることに対し、発光層を制御することで緑色全波長領域をほぼカバーできる開発に成功しました。これにより、緑色半導体レーザでは最適の波長を選択することができます。また電流を増加させても発振波長の変化はほとんど無いため、高電流下で高出力を狙う用途に有効な技術であると考えています。さらに波長は環境温度による変動が少ない特長を有します。

なお、今回の開発に関して関連特許は60件以上出願しています。また、詳細な内容は本年7月17日発行のApplied Physics Express誌に掲載予定です。

緑色半導体レーザの実現により、光の三原色(赤・緑・青)レーザ光源が揃い、これまでにない新しい応用製品への展開が期待されます。当社は、今後も当社独自の窒化物系半導体技術を活用した事業展開を図っていきます。

以上

【補足資料】

写真1.緑色レーザ発振の様子(右下箱にレーザが搭載)


【用語説明】

※1 緑色レーザ

緑色領域で動作するレーザ。これまで、赤色や青色レーザのように半導体から直接発振できる緑色レーザは存在しませんでした。現在ポインターなどで使用されている緑色レーザは発振波長1064nm前後の赤外レーザ光を波長変換結晶により波長を1/2に変換し、波長532nmの緑色光を発生させており、効率を高めにくく、部品点数が多いことからコスト低減に課題があると考えられています。

※2 緑色領域での発光効率低下

LEDでは光の三原色である赤・緑・青がすでに実用化されていますが、緑色領域では窒化ガリウム系、ガリウムヒ素系でも発光効率が大きく低下する効率の谷間が存在します。しかしながら緑色領域は、液晶バックライト、携帯機器用光源、プラスチックファイバ通信用光源などへの応用が期待されるため、高効率・高輝度光源の開発が待望されていました。

※3 電界による発光効率低下

窒化ガリウム系材料で緑色領域の発光効率が低下する主な原因は、結晶構造の歪みにより生じた圧電分極によって発生する電界(ピエゾ電界)です。これまで窒化ガリウム系材料は、ピエゾ電界が最大となる結晶方向に成長されており、青色領域では結晶の歪みによるピエゾ電界の影響は効率にあまり影響しませんでしたが、より歪みの大きくなる緑色領域では大きく影響を受け発光効率が低下します




Source
: KISTI,
sei.co.jp


덧글

  • 송정의촌놈 2009/08/17 11:47 #

    ? 뭐가 좋은 건가요 이건;;;;
  • Blameless 2009/08/17 12:12 #

    "녹색 반도체 레이저의 실현에 의해, 빛의 삼원색(적·록·청) 레이저 광원이 구비되어 지금까지 없는 새로운 응용 제품에서의 전개가 기대된다고 한다."

    여태 레이져의 진성 녹색이 없었으니 녹색을 구현함으로써 삼원색의 완성을 이뤘다는게 가장 큰 성과가 아닐까요.
    256색에서 풀칼라로 가는 것과 비견되는 어찌보면 대단한 완성이겠지요.

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